论文部分内容阅读
在炼油装置大型化、运行工况苛刻化、原料油劣质化的发展过程中，因铵盐流动沉积垢下腐蚀和多相流冲蚀引发的加氢反应流出物空冷器(REAC)系统流动腐蚀失效事故较为普遍，严重影响装置的长周期安全运行。鉴于原料油中N、S、Cl含量高且运行工况波动范围大，引发的铵盐流动沉积和多相流冲蚀机理复杂，难以防控。特别是对于高硫含氯原料油加工的加氢REAC系统，目前尚缺乏科学的流动腐蚀失效研究体系和预测方法。 本论文以典型加氢REAC系统的流动腐蚀失效为研究对象，开展反应、流动、传热、腐蚀等工艺关联过程分析，研究高硫含氯加氢REAC系统流动腐蚀机理，建立复杂环境下加氢REAC系统流动腐蚀理论体系;结合数值模拟、流动腐蚀实验和失效案例解剖验证，开展加氢REAC系统流动腐蚀预测方法研究，主要研究内容包括五个方面: 第一:针对YZ加氢REAC系统，结合其工艺流程，建立NH4Cl和NH4HS盐结晶温度求解模型;揭示了流动场、温度场及浓度场耦合作用下铵盐流动沉积垢下腐蚀机理、腐蚀与流动耦合作用下腐蚀产物膜的冲蚀破坏机理，形成加氢REAC系统流动腐蚀理论体系。 第二:基于加氢REAC系统工艺流程，建立工艺和传热模型，运用HYSIS和HTRI仿真获得REAC系统不同位置的多相流组成、物性参数及管程温度分布;根据多物理场耦合作用铵盐结晶和流-固耦合冲蚀机理，分别建立铵盐流动沉积和流体动力学冲蚀数理模型，为流动腐蚀数值模拟奠定基础。 第三:实现了多物理场耦合作用下铵盐流动沉积数值计算，仿真结果表明:流动沉积发生在气相区域，沿气-液交界面至基管顶部存在浓度梯度，沿基管上壁面NH4Cl浓度最大值出现在距第一管程管束入口1.03 m，NH4HS浓度最大值出现在距第三管程管束入口5.47 m;运用CFD仿真，获得管道及管束内流速、相分率、剪切应力等流动参数分布规律。 第四:设计搭建了现场加氢REAC系统铵盐流动沉积临界特性测试平台，研究铵盐的结晶、沉积和消失过程，获得NH4Cl和NH4HS结晶温度分别为193℃、60℃，验证了铵盐结晶温度求解模型的适用性;提出以腐蚀性强的含硫污水研究REAC系统的冲蚀特性，运用旋转式冲蚀实验装置测试获得了含硫污水中NH4HS浓度、温度、Cl-浓度对腐蚀产物膜特性影响，运用开路电位法和Tafel曲线法测试获得了腐蚀产物膜破损的冲蚀临界特性。 第五:构建流动腐蚀机理、数值模拟和实验研究相结合的预测体系，提出将铵盐浓度、剪切应力作为表征流动沉积和冲蚀的关键参数。预测表明:入口管箱垂直进口两侧管束平均流速和液相分率较低的区域易出现铵盐的流动沉积;衬管后存在突扩，湍流效应明显，在管束顶部出现铵盐垢下腐蚀的前提下，湍流影响形成腐蚀沟槽。失效案例解剖结果与预测结论基本吻合;给出Cl含量超标引起NH4Cl流动沉积垢下腐蚀、流动参数分布不平衡、衬管尾部湍流作用是YZ加氢REAC系统失效的根本原因。 本论文的创新性工作在于:基于反应、流动、传热、腐蚀等过程关联分析，提出了流动场、温度场和浓度场耦合作用的铵盐流动沉积预测方法;运用高压视镜和光学测试技术测试获得了NH4Cl和NH4HS流动沉积临界特性;建立含硫污水中不同Cl-浓度腐蚀产物膜冲蚀临界转速与剪切应力的对应关系，提出了含氯加氢REAC系统的冲蚀校核方法。研究成果可为高硫含氯加氢REAC系统的流动腐蚀预测、寿命评估和工程优化奠定理论基础，并有望完善加氢REAC系统的设计、选材、制造、检验和运行等行业导则及相关标准。